DE4013477A1 - DC voltage converter for electronic equipment current supply - uses controlled switch and microprocessor controlling switching in duration of switch - Google Patents
DC voltage converter for electronic equipment current supply - uses controlled switch and microprocessor controlling switching in duration of switchInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einem steuerbaren Schalter zur Erzeugung mindestens einer Ausgangsspannung.The invention relates to a DC-DC converter a controllable switch for generating at least one Output voltage.
Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Gleich spannungswandler benötigt, die eine oder mehrere Gleich spannungen liefern. Bei getakteten Gleichspannungswand lern sind insbesondere die Grundtypen Sperrwandler und Durchflußwandler zu unterscheiden. Dabei wird eine Gleichspannung mit Hilfe eines steuerbaren Schalters in eine Rechteckspannung umgewandelt, die gleichgerichtet und gesiebt wird. Der steuerbare Schalter kann beispiels weise mit Frequenzen zwischen 50 kHz und 200 kHz betrie ben werden. Die Schaltfrequenz wird deshalb so hoch ge wählt, um ein kleinstmögliches Bauvolumen der benötigten Bauteile, insbesondere der Kondensatoren und Spulen, zu erreichen. Der steuerbare Schalter wird durch Impulse ge steuert, die in ihrer Breite (Einschaltdauer) in Abhän gigkeit von Lastschwankungen der Ausgangsspannung modu liert werden. Die Impulse werden von einer Steuerschal tung, beispielsweise einem Pulsbreitenmodulator, erzeugt und an die Steuerelektrode des steuerbaren Schalters ge legt. Zur Regelung der Ausgangsspannung wird aus EMV- Gründen bei konstanter Schaltfrequenz meist die Pulsbrei te verändert.For the supply of electronic devices become equal voltage converters needed that have one or more equals deliver tension. With clocked DC voltage wall The basic types are flyback converters and To distinguish flow transducers. Doing so DC voltage using a controllable switch in converted a square wave voltage that rectified and is sieved. The controllable switch can, for example as operated with frequencies between 50 kHz and 200 kHz be. The switching frequency is therefore so high chooses to build the smallest possible volume of the required Components, especially the capacitors and coils to reach. The controllable switch is ge by pulses controls the width (duty cycle) in dep ability of load fluctuations of the output voltage modu be lated. The impulses are from a control scarf device, for example a pulse width modulator and ge to the control electrode of the controllable switch sets. To regulate the output voltage, EMC With a constant switching frequency, the pulse width is usually the basis te changed.
Aus EP-A 03 21 049 ist ein Fernmeldeendgerät mit einem Gleichspannungswandler bekannt. Die Steuerung des Gleich spannungswandlers erfolgt dabei mittels eines Signalpro zessors, der aufgrund seiner besonderen inneren Struktur auch komplizierte Rechenoperationen mit hoher Geschwin digkeit ausführen kann und beispielsweise speziell für die Verarbeitung von Sprachsignalen eingesetzt wird.From EP-A 03 21 049 is a telecommunications terminal with one DC converter known. Controlling the same voltage converter takes place by means of a signal pro cessors, due to its special internal structure also complicated arithmetic operations with high speed can perform and for example specifically for the processing of voice signals is used.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleich spannungswandler der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem unter Beibehaltung eines geringen Bauvolumens die Ansteuerung des steuerbaren Schalters auf kostengünstige Weise erfolgt.The invention has for its object a like to specify voltage transformers of the type mentioned at the outset, where the while maintaining a small volume Actuation of the controllable switch on inexpensive Way is done.
Diese Aufgabe wird bei einem Gleichspannungswandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuerung der Einschaltdauer des steuerbaren Schalters mittels ei nes Mikroprozessors erfolgt und die Einschaltdauer wäh rend einer vorgebbaren Anzahl von Taktzyklen des steuer baren Schalters konstant ist.This task is the case of a DC voltage converter type mentioned solved in that the control the duty cycle of the controllable switch by means of egg microprocessor and the duty cycle rend a predetermined number of clock cycles of the tax baren switch is constant.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß für ein geringes Bauvolumen des Gleichspannungswandlers zwar Schaltfrequenzen des steuerbaren Schalters von beispiels weise 50 bis 200 kHz notwendig sind, für den Regelvorgang jedoch Frequenzen von wenigen kHz völlig ausreichend sind, da der Regelvorgang auch dann bereits im Millise kundenbereich erfolgt.The invention is based on the knowledge that for a small volume of the DC-DC converter Switching frequencies of the controllable switch of example as 50 to 200 kHz are necessary for the control process however, frequencies of a few kHz are completely sufficient because the control process is already in the millise customer area.
Der steuerbare Schalter wird dabei mit einer hohen Schaltfrequenz getaktet und ermöglicht so ein geringes Bauvolumen der im Gleichspannungswandler enthaltenen Kon densatoren und Spulen. Der Mikroprozessor übernimmt die Aufgabe zur Erzeugung der den steuerbaren Schalter an steuernden Impulse. Dabei erfolgt eine beispielsweise durch Schwankungen der Ausgangsspannung hervorgerufene Änderung der Impulsbreite, d. h. der Einschaltdauer des steuerbaren Schalters mit einer gegenüber der Schaltfre quenz des steuerbaren Schalters verringerten Frequenz. The controllable switch comes with a high Switching frequency clocked and thus enables a low Construction volume of the Kon contained in the DC converter capacitors and coils. The microprocessor takes care of that Task to generate the controllable switch controlling impulses. This is done, for example caused by fluctuations in the output voltage Change in pulse width, d. H. the duty cycle of the controllable switch with a compared to the Schaltfre frequency of the controllable switch reduced frequency.
Die Einschaltdauer wird erst nach einer vorgebbaren An zahl von Einschaltzyklen verändert. Hierdurch wird es möglich, als Mikroprozessoren "langsame", handelsübliche und somit preiswerte Typen zu verwenden, ohne die Regel eigenschaften des Gleichspannungswandlers zu verschlech tern. Somit wird eine kostengünstige Verwendung von Mi kroprozessoren zur Regelung von Gleichspannungswandlern ermöglicht, die bisher aufgrund der für hohe Frequenzen erforderlichen kostenaufwendigen Signalprozessoren gegen über analogen Regelschaltungen ausschied.The duty cycle is only after a definable on number of switch-on cycles changed. This will make it possible, as microprocessors "slow", commercially available and thus use inexpensive types without the rule properties of the DC-DC converter to deteriorate tern. Thus an economical use of Mi Croprocessors for the regulation of DC-DC converters allows that so far due to the high frequencies required costly signal processors against eliminated via analog control circuits.
Bei einer Ausgestaltungsform bildet der Mikroprozessor aus einem aus der Ausgangsspannung durch A/D-Wandlung ge bildeten Digitalsignal und einem in einem Speicher des Mikroprozessors abgelegten Referenzwert ein Differenzsi gnal und aus dem Differenzsignal durch Unterabtastung ein Regelsignal, das über eine Treiberstufe den steuerbaren Schalter ansteuert.In one embodiment, the microprocessor forms from a ge from the output voltage by A / D conversion formed digital signal and one in a memory of the Microprocessor stored reference value a difference si gnal and from the difference signal by subsampling Control signal, the controllable via a driver stage Controls switch.
Dazu wird dem Mikroprozessor die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zugeführt. Die A/D-Wandlung der Ausgangsspannung kann durch einen dem Mikroprozessor vor geschalteten externen A/D-Wandler erfolgen oder der Mi kroprozessor weist bereits die Möglichkeit zur A/D-Wand lung auf. Der aus der Ausgangsspannung durch A/D-Wandlung erhaltene jeweilige Digitalwert des Digitalsignals bildet den Ist-Wert und wird mit dem im Mikroprozesssor gespei cherten digitalen Referenzwert verglichen. Durch die Un terabtastung und das daraus gebildete Regelsignal für die Treiberstufe wird bewirkt, daß die Einschaltdauer des steuerbaren Schalters für eine vorgebbare Anzahl von Ein schaltzyklen beibehalten wird. Die Unterabtastung kann dabei auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Unterabtastung beträgt. Der Mikroprozessor liefert bei dieser Ausgestaltungsform an die Treiberstufe die "schnelle" erste Taktfrequenz als Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters, während die "langsame" zweite Taktfrequenz die Arbeitsfrequenz des Mikroprozessors und damit die Frequenz für die Änderung der Einschaltdauer festlegt.For this purpose, the output voltage of the DC converter supplied. The A / D conversion of the Output voltage can be pre-set by the microprocessor switched external A / D converter or the Mi kroprocessor already shows the possibility of the A / D wall lung on. The one from the output voltage through A / D conversion each digital value of the digital signal obtained the actual value and is saved with that in the microprocessor compared digital reference value. By the Un terabtastung and the resulting control signal for Driver stage causes the duty cycle of the controllable switch for a specifiable number of on switching cycles is maintained. The subsampling can can be achieved in a simple manner in that the Switching frequency of the controllable switch is an integer Is a multiple of the frequency of the undersampling. The In this embodiment, the microprocessor delivers the driver stage as the "fast" first clock frequency Switching frequency of the controllable switch, while the "slow" second clock frequency the working frequency of the Microprocessor and thus the frequency for the change the duty cycle.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsform wird das Differenz signal vor der Unterabtastung gefiltert. Durch die Fil terung können Stabilitätsprobleme der aus dem Mikropro zessor und der Treiberstufe gebildeten Regelschleife aus geglichen werden.In a further embodiment, the difference signal filtered before subsampling. Through the fil stability problems of the micropro processor and the driver stage formed control loop be compared.
Bei einer Ausgestaltungsform erfolgt nach der Unterabtas tung eine Quantisierung. Der Quantisierer liefert für ei nen bestimmten Wertebereich jeweils einen diskreten Wert zur Steuerung der Treiberstufe und bewirkt eine Anpassung zwischen der gewünschten Auflösung und der durch den Mi kroprozessor vorgegebenen Auflösung.In one embodiment, after the sub-tabs a quantization. The quantizer delivers for egg a certain value range a discrete value to control the driver stage and causes an adjustment between the desired resolution and the Mi predefined resolution.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsform bildet der Mikro prozessor aus dem Digitalsignal und dem Referenzwert ein Überwachungssignal. Aufgrund des digital arbeitenden Mi kroprozessors ist damit auf einfache Weise eine Überwa chung des Regelvorgangs und somit der Schwankungen der Ausgangsspannung möglich.In a further embodiment, the micro forms processor from the digital signal and the reference value Monitoring signal. Due to the digitally working Mi The croprocessor is therefore simply an oversight of the control process and thus the fluctuations in the Output voltage possible.
Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.In the following the invention based on the in the figure illustrated embodiment explained in more detail.
Die Figur zeigt das Blockschaltbild eines Gleichspan nungswandlers.The figure shows the block diagram of a DC chip voltage converter.
Die Figur zeigt einen Gleichspannungswandler 1, an dessen Eingang eine Eingangsspannung Ue anliegt. Der Gleichspan nungswandler 1 weist einen steuerbaren Schalter 13 auf, der von einem Steuersignal A einer Treiberstufe 7 ge steuert wird. Am Ausgang des, beispielsweise als Sperr- oder Durchflußwandler ausgebildeten, Gleichspannungswand lers 1 liegt eine Ausgangsspannung Ua. Die Regelung der Ausgangsspannung Ua erfolgt mittels eines Mikroprozes sors 12, der in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ua ein Regelsignal E für die Treiberstufe 7 erzeugt. Für die vom Mikroprozessor 12 im einzelnen auszuführenden Arbeits schritte wurden in der Figur aus Gründen der Übersicht lichkeit einzelne Blöcke eingezeichnet, die vom Mikropro zessor 12 im wesentlichen als Software ausgeführt wer den. Dazu wird dem Mikroprozessor 12 die Ausgangsspan nung Ua zugeführt, die zunächst mittels eines A/D-Wand lers 2 in ein Digitalsignal Ud gewandelt wird. Die Werte des Digitalsignals Ud werden mit einem in einem Spei cher 9 gespeicherten Referenzwert Uref mittels eines Ver gleichers 3 verglichen. Dem Vergleicher 3 ist ein Fil ter 4 in Reihe mit einem Unterabtaster 5 und einem Quan tisierer 6 nachgeschaltet. Der Unterabtaster 5 wird mit einer zweiten Taktfrequenz f2 getaktet. Am Ausgang des Quantisierers 6 liegt das Regelsignal E für die mit einer ersten Taktfrequenz f1 getaktete Treiberstufe 7. Die er ste Taktfrequenz f1 wird von einem Taktgenerator 8 gelie fert und beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Taktfrequenz f2. Dazu wird die zweite Taktfrequenz f2 aus der ersten Taktfrequenz f1 mittels eines Taktteilers 14 abgeleitet. Die Treiberstufe 7 erzeugt aus dem Regelsi gnal E das Steuersignal A zur Regelung der Pulsbreite (Einschaltdauer) des steuerbaren Schalters 13 des Gleich spannungswandlers 1. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Mikroprozessor 12 außerdem eine Überwachungseinrichtung 10 auf, der das aus der Aus gangsspannung Ua abgeleitete Digitalsignal Ud sowie der Referenzwert Uref zugeführt werden. Die Überwachungsein richtung 10 steuert eine Signalisierungseinrichtung 11, die ein Überwachungssignal S liefert.The figure shows a DC-DC converter 1 , at the input of which there is an input voltage Ue. The DC voltage converter 1 has a controllable switch 13 , which is controlled by a control signal A of a driver stage 7 ge. An output voltage Ua is present at the output of the DC voltage wall 1, which is designed, for example, as a flyback or forward converter. The output voltage Ua is regulated by means of a microprocessor 12 , which generates a control signal E for the driver stage 7 as a function of the output voltage Ua. For the steps to be carried out by the microprocessor 12 in detail, individual blocks were drawn in the figure for the sake of clarity, which are essentially executed as software by the microprocessor 12 . For this purpose, the output voltage Ua is supplied to the microprocessor 12 , which is first converted into a digital signal Ud by means of an A / D converter 2 . The values of the digital signal Ud are compared with a reference value Uref stored in a memory 9 by means of a comparator 3 . The comparator 3 is a Fil ter 4 connected in series with a subsampler 5 and a quantizer 6 . The subsampler 5 is clocked with a second clock frequency f 2 . At the output of the quantizer 6 is the control signal E for the driver stage 7 clocked at a first clock frequency f 1 . He clock frequency f 1 is delivered by a clock generator 8 and is an integer multiple of the second clock frequency f 2 . For this purpose, the second clock frequency f 2 is derived from the first clock frequency f 1 by means of a clock divider 14 . The driver stage 7 generates from the Regelsi signal E, the control signal A for regulating the pulse width (duty cycle) of the controllable switch 13 of the DC voltage converter 1st In the embodiment shown in the figure, the microprocessor 12 also has a monitoring device 10 , to which the digital signal Ud derived from the output voltage Ua and the reference value Uref are supplied. The monitoring device 10 controls a signaling device 11 which supplies a monitoring signal S.
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt im Mikroprozessor 12 zunächst mittels des A/D- Wandlers 2 eine Wandlung der analogen Ausgangsspannung Ua in das Digitalsignal Ud. Dieses wird mit dem im Spei cher 9 enthaltenen Referenzwert Uref, der als Sollwert vorher programmiert wurde, mit Hilfe des Vergleichers 3 verglichen. Der am Ausgang des Vergleichers 3 anliegende Differenzwert Udif aus dem Referenzwert Uref und dem je weiligen Wert des Digitalsignals Ud stellt eine Meßgröße für den Fehler der Ausgangsspannung Ua dar und gelangt anschließend zum Schleifenfilter 4. Das Schleifenfilter 4 bildet softwaremäßig das Verhalten eines analogen Schlei fenfilters nach und dient der Beseitigung von Stabili tätsproblemen des Regelkreises, so daß durch eine geeig nete Auslegung des Schleifenfilters 4 die Stabilität des Regelkreises sichergestellt werden kann. Der so gefilter te Wert am Ausgang des Schleifenfilters 4 wird zunächst dem Unterabtaster 5 und anschließend dem Quantisierer 6 zugeführt. Hierdurch wird eine Reduzierung des Rechenauf wands bzw. eine Verminderung der Rechenzeit des Mikropro zessors 12 bewirkt. Damit wird es möglich, langsame han delsübliche und damit preiswerte Bauteile zu verwenden. Die Werte am Ausgang des Quantisierers 6 bilden das Re gelsignal E der beispielsweise als Pulsbreitenmodulator 7 ausgebildeten Treiberstufe, die hieraus das Steuersi gnal A zur Regelung der Pulsbreite des steuerbaren Schal ters 13 berechnet. Die Treiberstufe 7 arbeitet dabei mit der ersten Taktfrequenz f1, die ein ganzzahliges Viel faches der zweiten Taktfrequenz f2 beträgt. Damit erhält der Pulsbreitenmodulator 7 einen festen Grundtakt in Form der ersten Taktfrequenz f1, jedoch wird die Einschalt dauer des Steuersignals A für mehrere Einschaltzyklen beibehalten und erst nach jeweils einem vorgebbaren Viel fachen der Einschaltzyklen verändert (Unterabtastung). Dabei wird die Einschaltdauer des steuerbaren Schal ters 13 durch den Mikroprozessor 12 nicht kontinuier lich, sondern in quantisierter Form vorgegeben, d. h. der Quantisierer 6 liefert jeweils für einen bestimmten Wer tebereich lediglich einen bestimmten Wert. Diese Wertere duzierung führt zu einer Anpassung zwischen der gewünsch ten Auflösung und der durch den Mikroprozessor vorgegebe nen Auflösung. Die erste Taktfrequenz f1 bestimmt dabei die Schaltfrequenz des steuerbaren Schalters 13, während die zweite Taktfrequenz f2 die Grenzfrequenz des Regelsi gnals für die Ausgangsspannung UA kennzeichnet. Auf diese Weise können trotz der geringeren zweiten Taktfrequenz f2 die Vorteile einer hohen ersten Taktfrequenz f1 (Schalt frequenz des Gleichspannungswandlers) erhalten bleiben, d. h. ein geringes Raumvolumen der benötigten Bauteile des Gleichspannungswandlers 1. Die zweite Taktfrequenz f2 kann unabhängig von der ersten Taktfrequenz f1 festgelegt werden. Für die zweite Taktfrequtnz f2 sind meist Fre quenzen von wenigen kHz völlig ausreichend, da der Regel vorgang dann bereits im msec-Bereich erfolgt.In the embodiment shown in the figure, the analog output voltage Ua is first converted into the digital signal Ud in the microprocessor 12 by means of the A / D converter 2 . This is compared with the reference value Uref contained in the memory 9 , which was previously programmed as the setpoint, with the aid of the comparator 3 . The difference value Udif present at the output of the comparator 3 from the reference value Uref and the respective value of the digital signal Ud represents a measured variable for the error in the output voltage Ua and then reaches the loop filter 4 . The loop filter 4 software simulates the behavior of an analog loop filter and serves to eliminate stability problems of the control loop, so that the stability of the control loop can be ensured by a suitable design of the loop filter 4 . The value thus filtered at the output of the loop filter 4 is first fed to the subsampler 5 and then to the quantizer 6 . This results in a reduction in the computing effort or a reduction in the computing time of the microprocessor 12 . This makes it possible to use slow commercial and therefore inexpensive components. The values at the output of the quantizer 6 form the control signal E of the driver stage designed, for example, as a pulse width modulator 7 , which uses this to calculate the control signal A for controlling the pulse width of the controllable switch 13 . The driver stage 7 operates at the first clock frequency f 1 , which is an integral multiple of the second clock frequency f 2 . This gives the pulse width modulator 7 a fixed basic clock in the form of the first clock frequency f 1 , but the switch-on duration of the control signal A is maintained for several switch-on cycles and only changed after a predefinable multiple of the switch-on cycles (undersampling). The duty cycle of the controllable scarf age 13 by the microprocessor 12 is not continuous Lich, but is specified in quantized form, ie the quantizer 6 only delivers a certain value for a certain value range. This value reduction leads to an adaptation between the desired resolution and the resolution specified by the microprocessor. The first clock frequency f 1 determines the switching frequency of the controllable switch 13 , while the second clock frequency f 2 denotes the cut-off frequency of the control signal for the output voltage UA. In this way, despite the lower second clock frequency f 2, the advantages of a high first clock frequency f 1 (switching frequency of the DC / DC converter) can be retained, ie a small volume of the required components of the DC / DC converter 1 . The second clock frequency f 2 can be set independently of the first clock frequency f 1 . For the second clock frequency f 2 , frequencies of a few kHz are usually completely sufficient, since the control process then takes place in the msec range.
Bei einem am Rechner simulierten Beispiel eines Gleich spannungswandlers wird beispielsweise ein handelsüblicher 8-Bit-Mikroprozessor zugrundegelegt, wobei die erste Taktfrequenz f1 des Steuersignals A des Pulsbreitenmodu lators 7 beispielsweise 50 kHz beträgt. Für das Regelver halten des Gleichspannungswandlers 1 ist jedoch eine Grenzfrequenz von 10 kHz völlig ausreichend. Damit weist der Taktteiler 14 den Faktor 5 auf. Dadurch kann eine einmal im Mikroprozessor 12 in der bereits beschriebenen Weise berechnete (quantisierte) Pulsbreite (Einschalt dauer) des Steuersignals A für fünf Zyklen der ersten Taktfrequenz f1 beibehalten werden (Unterabtastung). Diese Anforderungen können von einem 8-Bit-Mikroprozessor noch erfüllt werden und machen so eine preiswerte Reali sierung möglich.In a simulated example of a DC voltage converter on the computer, for example, a commercially available 8-bit microprocessor is used, the first clock frequency f 1 of the control signal A of the pulse width modulator 7 being, for example, 50 kHz. For the Regelver hold the DC-DC converter 1 , however, a cut-off frequency of 10 kHz is completely sufficient. The clock divider 14 thus has a factor of 5 . As a result, a once calculated in the microprocessor 12 in the manner already described (quantized) pulse width (switch-on duration) of the control signal A can be maintained for five cycles of the first clock frequency f 1 (undersampling). These requirements can still be met by an 8-bit microprocessor, making cost-effective implementation possible.
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Mikroprozessor 12 auch noch die Aufgabe, mit Hil fe der Überwachungseinrichtung 10 sowie der Signalisie rungseinrichtung 11 und eines von der Signalisierungsein richtung 11 erzeugten Überwachungssignals S den Regelvor gang des Gleichspannungswandlers 1 zu überwachen. Diese Überwachung ist aufgrund des digital arbeitenden Mikro prozessors auf einfache Weise möglich, da dieses in einer geeigneten Zeitlücke abgearbeitet werden kann.In the example shown in the figure embodiment, the microprocessor and has 12 also the task with Hil fe of the monitoring device 10 of the Signalisie inference device 11 and one of the Signalisierungsein direction 11 monitor signal S generated the Regelvor gear of the DC-DC converter 1 to be monitored. This monitoring is possible due to the digitally working microprocessor in a simple manner, since this can be processed in a suitable time gap.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: PHILIPS CORPORATE INTELLECTUAL PROPERTY GMBH, 2233 |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |